Foto IV – Clase VI: TEF / Objetivos – parte 3

DESTAC DEAKINS

En esta parte nos vamos a ocupar de

C – Evaluación de Objetivos en múltiples instancias.

Este apunte tiene una particularidad. No escribí tanto, sino que me basé muchísimo en materiales de terceros. La labor mía, más allá de escribir, es ordenar, aclarar, ilustrar, reelaborar y transmitir.

El material es una recopilación de escritos míos (Mariano Castaño), con definiciones de la página de ADF (www.adf.org) traducidos por Carlos Wajsman, ejemplos y explicaciones de www.xakatafoto.com y del proyecto un año de foto (www.unanodefoto.webcindario.com)

Primera instancia – Curvas MTF

Esta evaluación nos lleva a abordar un tema esencial en cuanto a objetivos se refiere, que son las curvas MTF, siglas tomadas de Modulation Transfer Function o (Función de transferencia de modulación).

Estas curvas son exclusivas de cada modelo de lente, y los fabricantes suelen entregarlas con ellos. Por supuesto, se consiguen online y, es más, existen incluso comparativas entre lo que dice el fabricante y lo que los usuarios en sus pruebas determinan.

Para hablar de curvas MTF tenemos que refrescar 4 términos:

  • Nitidez
  • Resolución
  • Contraste
  • Acutancia

Nitidez

El término es perceptivo y no mensurable.

Podemos definir la nitidez como la percepción de una mayor definición o claridad en los bordes de los objetos de una imagen. Esta es la sensación que tenemos cuando decimos lo “nítida” que es una imagen, porque sus bordes están más definidos.

La percepción de la nitidez depende de dos factores, que son Resolución y Acutancia. Por eso, se suele decir que una imagen de alta resolución se ve mejor que una de resolución baja y que una imagen con un tipo de contraste particular (que explicaré en breve) se ve más nítida que otra.

Pero, siempre hay un pero, no solo depende de esos factores. Como decía antes: es percibida.

Resolución

La resolución es la capacidad de un objetivo de “distinguir” una serie de pares de líneas negras y blancas alternas por milímetro. Por eso, cuantas más líneas por milímetro podamos “distinguir”, de mayor resolución estamos hablando.

La resolución se asocia con una característica del sensor: la cantidad de píxeles que son capaces de resolver en una imagen, por ejemplo, 1920 x 1080 (resolución full HD); en el mundo de la óptica, resolución se entiende como la capacidad de un lente (o sistema óptico) para transmitir (resolver se dice) detalles al sensor, ya sean finos cabellos, plumas o hierbas que un lente.

Teniendo un tamaño fijo de sensor, entre mayor sea el número de píxeles en este espacio, más resolución tendremos en la imagen. Y lo notaremos entre tomas similares tomadas con cámaras de distintos formatos.

low-reshi-res-images.jpg

Contraste

Contraste se entiende como la capacidad de un lente o sistema óptico de distinguir entre diferentes intensidades de luz (es decir, zonas blancas y negras de la imagen). Más claro: nos referimos a la capacidad del objetivo de mantener la oscuridad de los negros (que el negro siga siendo negro) y la blancura de los blancos de modo que se puedan distinguir entre sí según las líneas vayan siendo más finas.  Está íntimamente ligado con el concepto de nitidez: cuando el contraste disminuye en forma significativa, los pares de líneas blancas y negras se van tomando un tono gris, haciéndolas menos distinguibles entre sí y por lo tanto, menos “legibles”. Esta capacidad, para considerar un lente de buena calidad, debe ser lo más alta posible.

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Acutancia

La acutancia de una imagen es el grado de contraste que se observa en el límite entre detalles que difieren por su luminancia o densidad óptica. Cuanto más contrastado sea el límite entre una zona oscura y otra más clara, mayor es la acutancia y con ella la nitidez percibida en la imagen.

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La Acutancia no se trata de resolver pequeños detalles, sino de la transición entre bordes diferenciados de la imagen. Puede ser muy incrementada por diversos factores (mejora de nitidez en cámara, baja de resolución y aplicación de nitidez en pos producción).

Si el objetivo es ‘suave’ dará una imagen suave de foco independientemente si la capturamos en una cámara de 400 megapíxeles como la Hasselblad H6D-400c o con una de 10 megapíxeles.

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En la imagen de arriba se puede notar la diferencia entre distintas ópticas. La cámara con la que se tomó las fotografías es una Canon 7D. La prueba está hecha buscando cubrir la misma área en el sensor con la cabeza Lego. La imagen a la izquierda es la de un lente 18-55mm EFS Canon (de 2008) de los baratos que venían con la cámara en su época. En el medio se encuentra un lente 28-75mm asférico Tamron. Y en la derecha se encuentra un objetivo 90mm macro asférico Tamron. Las fotos fueron tomadas a F8.0 para trabajar con el área de mejor rendimiento óptico. Pueden notar en el detalle la diferencia que hace un lente de mayor calidad e incluso la diferencia entre un objetivo fijo y un zoom.

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El recorte de arriba muestra baja acutancia y alta resolución. El lente es capaz de resolver mucho detalle, pero la transición entre los bordes no es demasiado brusca, lo que provoca que la imagen aparezca un poco “blanda”.

A la segunda imagen le falta resolución, pero tiene una alta acutancia, ya que se le ha aplicado una excesiva cantidad de agudeza a fin de aumentar su nitidez. Tal como puede verse, no es posible recuperar todos los detalles, por lo tanto ciertas características se exageren por demás. La última imagen tiene gran cantidad de acutancia y resolución, lo que hace que la percibamos como la más nítida y detallada de las tres. Este ejemplo demuestra que nuestra percepción de la nitidez depende fuertemente de la combinación de resolución y acutancia.

Es muy común aumentar la acutancia en postproducción, mediante seteos de sharpness, sumados a controles de brillo y contraste. hay múltiples formas de hacerlo. De hecho, uno de los trucos más viejos del libro, es salvar fotos de foco blanco, mejorando la nitidez sobre los ojos.

 

Aquí un ejemplo en Da Vinci

La calidad de las ópticas puede definir la acutancia en la imagen. Como escribí, se refiere al grado de contraste que hay entre detalles que se diferencian en luminosidad o detalle. Un contraste entre detalles más alto se interpreta de manera perceptible como ‘mayor nitidez’. Por ello, para encontrar el poder de resolución y contraste de la óptica, es importante leer famosos los diagramas MTF.

DIAGRAMA MTF

Dado que la nitidez percibida es siempre subjetiva, resulta imposible cuantificar el comportamiento de los lentes simplemente observando los detalles de la imagen. Tal como lo apuntamos más arriba, hay muchas variables que pueden influir nuestra percepción. Debido a esto, los fabricantes desarrollaron un método objetivo para medir el comportamiento de los lentes en entornos de laboratorios controlados o buscando aproximarse al comportamiento potencial de los mismos a través de simulaciones de computadora, sin depender de la percepción humana. Este método comúnmente aceptado para medir el comportamiento de los lentes se llama MTF, los que significa Modulation Transfer Funcion  (Función de Transferencia de Modulación). Ya que no existe ningún lente que sea perfecto transmitiendo luz, el MTF es útil para cuantificar la pérdida de contraste y resolución.

Aquí no se aplica la acutancia ya que no estamos hablando sobre la nitidez percibida, sino estrictamente de la habilidad de un lente para resolver la mayor cantidad de detalle, observando para ello el  mantenimiento de una cualidad mensurable, que sería el máximo de contraste posible.

Muchos gráficos MTF que vemos hoy en día se realizan a través de programas especializados de computación que miden o simulan el comportamiento de los lentes y exhibe los resultados.

 

Una de las ventajas de las curvas MTF es que es capaz de proporcionar una gran cantidad de información en un solo gráfico. Los mismo son:

1 – Resolución de los lentes (del centro hasta los bordes en todas las aperturas disponibles observando la cantidad de líneas distinguibles en chart estandarizados y analizados por software).

iso-gd-cb-955s.jpg

 

2 – Contraste de los lentes (del centro a los bordes en todas las aperturas posibles observando las diferencias en las lineas) Idem Anterior. 

3 – Aberración de astigmatismo (radiación de la luz fuera de su centro, lo que provoca fantasmas o doble borde) y cromática lateral (dispersión de color en prisma). Se observa en las curvas MTF con diferencia notable en Meridionales y Sagitales (ya veremos).

 

L1000271.jpg

4 – Curvatura de campo (que es cuando la lente no enfoca en el plano focal sino que lo hace en una superficie curva imaginaria. Se verá una ondulación en la MTF y usualmente tendrá menor calidad a medio camino hacia las esquinas, que en las esquinas)

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5 – Desplazamiento de Foco: en tanto la nitidez máxima se desplace del centro a diferentes diafragmas.

Los datos pueden utilizarse para comparar resolución y contraste entre diferentes lentes del mismo fabricante, pero resulta muy difícil utilizar las curvas MTF para comparar lentes de diferentes fabricantes (ver notas más abajo) y también existen otros datos ópticos que las pruebas MTF NO pueden proveer, como por ejemplo:

  • Distorsión
  • Aberración cromática longitudinal
  • Reproducción de color
  • Viñeteo
  • Reflejos de los lentes

Por lo tanto, aunque los gráficos MTF pueden resultar útiles para evaluar determinados datos, NO son capaces de proveer un cuadro completo del comportamiento de un lente.

Es importante remarcar que no se proveen datos sobre el comportamiento entre distancias focales intermedias en los lentes zoom. Así en un lente 70-200mm el fabricante proveerá gráficos del comportamiento en 70 y en 200, pero ninguno sobre distancias focales intermedias.

Por esa razón nosotros (y muchos otros analistas) se enfocan en los problemas ópticos adicionales y deficiencias en los datos cuando estudiamos los lentes que aparecen en el mercado.

Hablemos ahora del proceso de medir los datos de la MTF. El desempeño de un lente puede variar fuertemente entre el centro y los bordes. Muchos lentes están optimizados para funcionar muy bien en el centro, pero disminuyen notoriamente su nitidez a medida que nos alejamos hacia el borde. Algunos lentes con diseños ópticos “mágicos” funcionan muy bien en toda la superficie de la imagen, pero hay muy pocos de esos – inclusive algunos de los lentes mejores y más caros, de nivel profesional, presentan diversos problemas ópticos.

De todas formas, tomar solamente una porción del cuadro de imagen y evaluar su nitidez sería demasiado limitado; es por eso que los datos de MTF se obtienen a partir de múltiples puntos que se miden desde el centro hacia los bordes del cuadro.

Aquí vemos una imagen provista por Nikon que muestra cada punto en los cuales se evalúa el resultado de un lente:

nikonete

En este caso, los puntos rojos indican los puntos de medición tomados en diferentes posiciones sobre una carta de líneas finas, en un cuadro de formato Full Frame Nikon de 24x36mm. Las mediciones se toman a 5, 10, 15 y 20mm a partir del centro del sensor.

La evaluación del rendimiento de los lentes se hace midiendo sobre grupos de líneas rectas. Típicamente se utilizan líneas negras sobre fondo blanco. Los pares de líneas más gruesas se utilizan para medir contraste y son de 10 líneas/mm (CONTRASTE – 10 LÍNEAS/ MM), mientras los grupos más finos, de 30 líneas/mm, se utilizan para medir resolución (RESOLUCIÓN 30 LÍNEAS/MM). Observemos un gráfico provisto por Nikon:

NIKONETE 2

Los grupos de líneas se ubican estratégicamente en ángulos diferentes – unos angulados desde el centro hacia los bordes, paralelos al radio del lente y apuntando hacia el centro (con el nombre de sagitales) y las otras se ubican en el ángulo opuesto (y llevan el nombre de meridionales). Esto se hace por una razón – debido a las aberraciones, algunos lentes funcionan muy bien resolviendo detalles de líneas colocadas en una dirección, mientras no lo hacen tan bien con líneas colocadas en otra dirección. En las mediciones de MTF, se proveen datos sagitales y meridionales, lo que resulta útil para detectar problemas de astigmatismo (veremos más sobre astigmatismo más adelante).

Una vez que la carta está alineada correctamente frente al lente, se pueden realizar evaluaciones tanto de contraste como de resolución estudiando la transición que se percibe en los grupos de líneas negras y blancas de distinto grosor. Un lente de alta resolución con un contraste excelente mostrará claramente el límite entre blancos y negros, y también permitirá distinguir claramente las líneas finas de 30 l/mm, para los grupos de líneas sagitales y las meridionales. En cambio, un lente de baja resolución con defectos ópticos mostrará una transición muy blanda entre negros y blancos (que indica un nivel de contraste bajo) y mostrará borrosidad en las líneas de 30m l/mm, que se percibirán como una mancha gris (que indica una baja resolución) tal como se ve en las imágenes siguientes:

SLINE

La imagen de la izquierda representa una reproducción perfecta (lo cual no existe). A medida que la calidad de un lente va bajando, especialmente acercándose a los bordes, dejamos de distinguir las líneas negras de las blancas, lo que básicamente implica una pérdida de resolución.

Si tomamos los grupos de 10 l/mm será muy difícil que las líneas se confundan en una mancha gris: aún los lentes modernos de menor calidad mantienen suficiente contraste para distinguir las líneas de 10 l/mm.

Los tests se realizan de la manera descripta en el video, pero se analizan por software:

 

 

¿Cómo se lee un gráfico MTF?

Ya sabemos cómo se ubican y se miden los grupos de líneas, ahora es tiempo de aprender a leer un típico gráfico MTF. Hay que tener en cuenta que cada fabricante tiene su propio método de evaluar y mostrar los datos, por lo que, como fue mencionado, resulta complejo (o imposible) comparar el rendimiento de lentes de distintas marcas.11111112título

Antes de analizar las curvas, tratemos de explicar para qué se utilizan los ejes X/Y: el eje X (horizontal) muestra la distancia del centro hacia los bordes del cuadro; el valor 0 representa el centro y los valores crecientes (5, 10, 15, 20) representan distancias en mm hacia el borde del cuadro.  En general todos los fabricantes utilizan los mismos intervalos en los sensores Full Frame, mientras para los sensores APS-C eligen distintos intervalos; por ejemplo, Canon utiliza 3, 6, 9, 12, 15 mm para medir sus sensores APS-C.

El eje Y (vertical) indica los porcentajes representando la luz que es capaz de transmitir un lente. Los datos se indican desde 0 (0%) hasta 1 (100%) y el gráfico se divide en pasos horizontales de 0,1 (10%) en incrementos de 0, 0,1. 0,2, etc.

Tal como consignamos en la sección anterior, se utilizan dos tipos de grupos de líneas para medir la MTF – grupos de líneas finas (30 l/mm) que se utilizan para medir resolución y grupos de líneas más gruesas (10 l/mm) utilizados para medir contraste. Es decir que en el gráfico se mostrarán ambas curvas; un lente “perfecto” debería mostrar líneas rectas desde el centro a los bordes, tanto para contraste como para resolución:

Objetivo_perfecto_curvas_mtf.jpg

Esta gráfica correspondería a una lente perfecta, ya que no se observan pérdidas. Una línea horizontal situada en lo más alto de la gráfica  

Como los objetivos no son perfectos siempre habrá cierta pérdida de definición y contraste entre las líneas negras y blancas, lo que nos generará valores por debajo de la unidad. Cuánto menor sea el valor que se nos presente, significará que el sensor le cuesta trabajo distinguir entre líneas negras y blancas y tendrá menos contraste o definición, en función de lo separado que estén las líneas de nuestra carta de ajuste.

En este ejemplo particular, utilizo una línea roja para graficar contraste y una línea azul para mostrar resolución. Como pueden ver, ambas se muestran rectas, ubicadas en la parte superior del gráfico; esto significa que el lente transmite el 100% de la luz que lo atraviesa. Pero sabemos que ese lente no puede existir, entonces veamos un gráfico MTF algo más realista:

Objetivo_tipico_curvas_mtf

Si observamos la curva roja (10 l/mm), vemos que el lente muestra un alto contraste en el centro, bajando a medida que nos alejamos hacia el borde, con un pequeño ascenso del contraste a mitad de camino y una importante caída cerca de los bordes. Eso indica que el lente tiene una buena resolución en el centro, cayendo gradualmente a medida que nos alejamos hacia el borde, bajando notoriamente en los extremos. En una imagen real, veremos una resolución muy buena en el centro de la imagen, bajando la calidad notoriamente hacia los bordes. La naturaleza “de ola” de la curva indica la presencia de una curvatura de campo que presenta la imagen (es decir que el lente no es capaz de enfocar una imagen en forma homogénea en todo el plano).

Las mediciones de contraste son en general más altas que la resolución. En cuanto a la evaluación del contraste, por encima de 0,9 indica un contraste excelente, entre 0,9 y 0,7 es muy bueno, entre 0,7 y 0,5 es el nivel promedio y por debajo de 0,5 se considera un contraste pobre o malo. En el caso de la resolución, las cifras suelen ser algo menores, especialmente en el caso de las posiciones angulares de los zoom. De todas formas, hay una interpretación subjetiva de las cifras y la evaluación acerca de qué nivel se considera bueno o malo puede variar de persona a persona.

Como habitualmente se realizan mediciones sagitales y meridionales, los gráficos típicos muestran normalmente cuatro líneas, tal como se muestra en el ejemplo de MTF que sigue:

Curvas_MTF_reales.jpg

Este es un gráfico MTF más completo, ya que indica bastante más datos. A partir del análisis de los datos del gráfico, podemos obtener los siguientes datos:

  1. Resolución (30 l/mm) desde el centro a los bordes, tanto en mediciones sagital y meridional.
  2. Contraste (10 l/mm) desde el centro a los bordes, tanto en mediciones sagital y meridional.
  3. Astigmatismo y aberración cromática lateral.
  4. Curvatura de campo.

 

Si comparamos a este gráfico con el anterior, podemos deducir que el segundo lente tiene un resultado general muy superior al primero. Las dos líneas de contraste (rojas) como las de resolución (azules) se ubican más arriba y las cuatro líneas muestran una posición mejor hacia los bordes. Llegando a los bordes extremos se visualiza una notoria declinación de la resolución, pero el contraste se mantiene muy alto. Otra cosa importante a remarcar es que ambos pares de líneas (tanto enteras como punteadas) se mantienen razonablemente parejas en todo el gráfico, indicando que el lente muestra un astigmatismo muy leve. Cerca de los bordes los pares de líneas muestran una separación mayor, lo que indica que podemos esperar un mayor astigmatismo en esas zonas de la imagen.

Como interpretar un gráfico MTF Canon

Canon muestra el comportamiento de sus lentes con el diafragma cerrado a f/8, lo que resulta sumamente útil. Aquí los datos que se pueden obtener a partir de un gráfico de Canon:

  1. Desempeño de los lentes a máxima apertura (f1.8) y a f/8.
  2. Desempeño de los lentes a máxima y mínima distancia focal (Es fijo, por ende la misma)
  3. Cifras sagitales y meridionales a 10 l/mm y a 30 l/mm.
  4. Astigmatismo y aberración cromática lateral
  5. Curvatura de campo.
  6. Desplazamiento de foco.

Además de la diferencia de gráficos en apertura máxima y con el diafragma cerrado, el resto de los datos son prácticamente similares. Veamos un gráfico para el lente Canon EF 50mm f/1.8 II

Sin-tít11123ulo.jpg

  • Las líneas gruesas representan la medición de contraste (10 LINEAS), mientras las líneas finas representan la resolución (30 LÍNEAS).
  • Las líneas negras muestran el comportamiento a máxima apertura (f/1.8) y las azules lo hacen a f/8.

Como los demás gráficos, utilizan líneas punteadas para representar mediciones sagitales y líneas enteras para representar mediciones meridionales.

Considerando esas características, analicemos el comportamiento del lente: en principio, observemos las líneas negras, que muestran el comportamiento a una apertura de f/1.8.

  • El contraste es muy bueno en el centro, aunque obviamente baja a medida que nos alejamos hacia los bordes.
  • La resolución está en números promedio, disminuyendo también hacia los extremos del cuadro.
  • Ambos tipos de líneas (sagitales y meridionales) se muestran prácticamente juntas en el centro, lo que es una buena noticia, aunque se separan bastante hacia los extremos, lo que demuestra bastante astigmatismo y aberración cromática.
  • Presenta algo de curvatura de campo, aunque está más o menos bajo control.

Al cerrar el diafragma a f/8 el rendimiento del lente mejora dramáticamente:

  • El contraste es excelente desde el centro hasta los bordes extremos, mientras la resolución también se muestra excelente, aunque se percibe cierta curvatura de campo. Es decir que los signos de astigmatismo y aberración cromática aún están allí, pero solo en los extremos del cuadro.
  • La resolución meridional se mantiene prácticamente recta, pero la medición sagital muestra una caída evidente en la marca de 17mm. Debido a que se muestra el comportamiento todo abierto y en f/8 se hace posible una potencial evaluación de problemas serios de desplazamiento de foco: si la nitidez se desplaza a partir del centro al cerrar el diafragma, es una muestra segura de que el lente sufre de problemas de desplazamiento de foco.

 

¿Qué sentido tiene representar las diferencias entre las líneas Meridionales y Sagitales?

Si las líneas continuas y a trazos del mismo color discurren unidas una junto a la otra por toda la gráfica, significa que el objetivo se comporta de manera similar en una dirección y en otra y esto se debe interpretar como que el famoso bokeh de los objetivos será de más calidad, suave, y mucho más atractivo. Ahora, si las curvas van cada uno por su lado significará que el bokeh será imperfecto, ya que no se va a representar igual de bien en una dirección u otra y la foto tendrá un desenfoque menos bonito. Aunque hay otros factores que afectan al bokeh de un objetivo, como el número de laminillas del diafragma y su forma, etc.

 

Sobre esto Carlos Wajsman (ADF) plantea una disidencia:

Ciertos fabricantes sostienen que la cercanía de las líneas sagitales y meridionales indica una buena  calidad de borrosidad o bokeh en el desenfoque. En lo particular trato de no sacar conclusiones apresuradas acerca de la influencia de las lecturas de gráficos MTF sobre el bokeh, ya que considero que existen muchos otros factores que lo afectan, tal como: el número de hojas del diafragma, apertura del iris, calidad de los elementos ópticos, etc.

Personalmente solamente considero la separación entre ambos tipos de líneas como una indicación del astigmatismo y la aberración lateral cromática: líneas S y M muy separadas indican sin duda una indicación de que el lente tiene una pobre corrección de astigmatismo y aberraciones ópticas laterales. Para obtener resultados respecto al bokeh deben realizarse otro tipo diferente de pruebas.

Por último y dado que las curvas no muestran una forma de “ola”, podemos concluir en que este segundo lente no sufre de problemas de curvatura de campo notorios, a diferencia de lo que se percibe en el gráfico anterior, correspondiente a un lente “típico”.

En la próxima clase seguiremos con la amplísima segunda instancia. 

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